JP2005063676A - 燃料電池のコージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に優れており、貯湯タンクの蓄熱量が満タンになっても効率のよい連続運転が出来る燃料電池のコージェネレーションシステムの提供。
【解決手段】貯湯タンク（３）から熱交換器（２）に至るライン（Ｌ１）に外気による冷却装置（ファン５とラジエータ４）を設け、その冷却装置（４、５）で加熱された空気を燃料電池（１）の空気極（１ａ）に導く空気ライン（Ｌａ）を設けている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は運転時に発生する排熱を熱交換器で温水として回収して給湯に利用する燃料電池のコージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の如く、上記燃料電池のコージェネレーションシステムでは、排熱で加熱した温水を貯湯タンクに貯蔵し、適宜給湯するようになっている。
ここで、燃料電池は起動や停止に際して或る程度の時間とエネルギーとを要するため、できるだけ連続運転した方が好ましい。しかし、給湯量（給湯需要）が少ないと、貯湯タンク内に蓄積された熱容量が最大値（満タン）となってしまうため、それ以上運転ができなくなり、燃料電池は停止してしまう。
この様な事態（貯湯タンクの蓄熱量が満タンとなり、燃料電池が停止する事態）を防止するため、熱回収水をラジエータで冷却する技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、通常、燃料電池のコージェネレーションシステムは、燃料電池本体と電力変換装置と貯湯タンクと熱交換器等の構成要素がユニットとしてハウジング内に収納されており、そのハウジングには換気ファンが設けられている。そのためにその換気ファンを用いて電力変換装置を冷却する技術が知られている（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３２５９８２号公報
【特許文献２】
特開２００２−８６８７号公報
【０００５】
しかし、前者（特許文献１）は、燃料電池へ送られる水の持っている熱は大気中に放出され、有効に利用されない。又、水の冷却時にラジエータが電力を消費するため、燃料電池による発電電力の有効利用分が減少してしまい、システム外からラジエータに電力供給しても、省エネルギーの観点から好ましくない。
更に冷却の必要性を判断するための温度センサ等の検出器や制御装置、流路切換えのための三方弁、ラジエータへの電源供給及びラジエータ制御のための配線等が必要であり、複雑なシステム構成となる。
【０００６】
一方、後者（特許文献２）は、燃料電池システム内の電力変換用冷却水の冷却を対象とするもので、本件の目的とする熱回収水の冷却とは異なる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、効率的に優れている燃料電池のコージェネレーションシステムを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、貯湯タンクの蓄熱量が最大の満タンになっても効率のよい連続運転が出来る燃料電池のコージェネレーションシステムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池（１）とその燃料電池（１）の排ガスの熱交換器（２）とがユニット（１０Ａ）として形成され、そして貯湯タンク（３）からのライン（Ｌ１）が前記熱交換器（２）に接続されている燃料電池のコージェネレーションシステム（Ａ）において、前記貯湯タンク（３）から前記熱交換器（２）に至るライン（Ｌ１）に外気による冷却装置（ファン５とラジエータ４）を設け、その冷却装置（４、５）で加熱された空気を燃料電池（１）の空気極（１ａ）に導く空気ライン（Ｌａ１）を設けたことを特徴としている（請求項１；図１）。
【００１０】
そのように構成された本発明の燃料電池のコージェネレーションシステム（Ａ）によれば、貯湯タンク（３）から前記熱交換器（２）に至るライン（Ｌ１）に設けた冷却装置（ファン５とラジエータ４）で加熱された空気を、空気ライン（Ｌａ１）を介して燃料電池（１）の空気極（１ａ）に導くことが出来る。
【００１１】
さらに本発明によれば、燃料電池（１）とその燃料電池の排ガスの熱交換器（２）とがユニット（１０Ｂ）として形成され、そして貯湯タンク（３）からのライン（Ｌ１）が前記熱交換器（２）に接続されている燃料電池のコージェネレーションシステム（Ｂ）において、前記貯湯タンク（３）から前記熱交換器（２）に至るライン（Ｌ１）に外気による冷却装置（４、５）を設け、その冷却装置（４、５）で加熱された空気を改質器（６）に導く空気ライン（Ｌａ２）を（設け、その改質器から水素リッチガスを燃料電池に供給する水素供給ラインＬｈを）設けたことを特徴としている（請求項２；図２）。
【００１２】
そのように構成された本発明の燃料電池のコージェネレーションシステム（Ｂ）によれば、貯湯タンク（３）から前記熱交換器（２）に至るライン（Ｌ１）に設けた冷却装置（ファン５とラジエータ４）で加熱された空気を空気ライン（Ｌａ２）を介して改質器（６）に導くことが出来る。
【００１３】
そして（請求項２に係る）本発明によれば、（改質器６に連通する）前記空気ライン（Ｌａ２）がさらに燃料電池（１）の空気極（１ａ）に接続（Ｌａ３）されているのが好ましい（請求項３；図３）。
【００１４】
そのように構成された本発明の燃料電池のコージェネレーションシステム（Ｃ）によれば、貯湯タンク（３）から前記熱交換器（２）に至るライン（Ｌ１）に設けた冷却装置（ファン５とラジエータ４）で加熱された空気を、空気ライン（Ｌａ２、Ｌａ３）を介して燃料電池（１）の空気極（１ａ）及び改質器（６）の双方に導くことが出来る。
【００１５】
また本発明によれば、前記空気ライン（Ｌａ２）にインバータ（７）による加熱手段（８）が設けられているのが好ましい（請求項４；図４）。
【００１６】
そのように構成された本発明の燃料電池のコージェネレーションシステム（Ｃ）によれば、貯湯タンク（３）から前記熱交換器（２）に至るライン（Ｌ１）に設けた冷却装置（ファン５とラジエータ４）で加熱された空気を、更にインバータ（７）による加熱手段（８）で昇温して空気ライン（Ｌａ２、Ｌａ３）を介して燃料電池（１）の空気極（１ａ１）及び改質器（６）の双方に導くことが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以上図面に従って本発明の実施の形態を説明する。
先ず、図１を参照して第１実施形態を説明する。
【００１８】
図１において、燃料電池ユニット１０Ａは、燃料電池本体（スタック）１と、その燃料電池本体（スタック）１の排熱を利用した第１の熱交換器２と、ラジエータ４及び電動ファン５からなる冷却装置４５と、電力変換装置９とで構成されている。
ここで、電動ファン５は、ライジエータ４における冷却用の手段として作用するが、それに加えて、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気を行う手段としても作用する様に構成することが可能である。
【００１９】
一方、貯湯タンク３の下部にはラインＬ１が接続され、そのラインＬ１は前記ラジエータ４を経由して前記第１の熱交換器２の入口側に連通されている。そして、第１の熱交換器２の出口側と前記貯湯タンク３の上部はラインＬ２によって連通されている。
【００２０】
又、ラインＬ１及びＬ２を介して貯湯タンク３と第１の熱交換器２とをお湯が循環する際に、ラジエータ４でお湯から熱を受け、その熱は空気ラインＬａ１によって燃料電池本体（スタック）１の空気極１ａに導かれている。
なお、図示はされていないが、空気ラインＬａ１を分岐して、分岐したラインを燃料電池本体（スタック）１の空気極１ａへ空気を供給する以外の目的、例えば、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気等の用途に供する様に構成することも可能である。
【００２１】
前記燃料電池本体（スタック）１と第１の熱交換器２は、循環ラインＬ３によって冷却水が循環可能なように配管されている。そして、上述の構成全体で燃料電池のコージェネレーションシステムＡが構成されている。
【００２２】
そのように構成された第１実施形態の燃料電池のコージェネレーションシステムＡによれば、ラインＬ１及びＬ２を介して貯湯タンク３と第１の熱交換器２を循環する水（お湯）は第１の熱交換器２内で熱交換されて冷却されるため、貯湯タンク２の蓄熱量が満タンとなった場合でも、燃料電池の運転を継続することが出来る。
一方、貯湯タンク３から前記熱交換器２に至るラインＬ１に設けたラジエータ４で加熱された空気は、空気ラインＬａ１を介して燃料電池１の空気極１ａに導かれ、燃料電池１に熱を与えるため、燃料電池１の排熱回収効率は上がる。
換言すれば、貯湯タンクから燃料電池に送られた水が持っている熱を外気に捨てず、熱の有効利用が行われている。
更に、冷却水の必要性を判断するための温度センサ等の検出手段や制御装置、流路を切換えるための三方弁等が不要となり、システム構成を簡素化出来る。
又、水の冷却に関する配線（電源供給や制御等）が不要となる。
【００２３】
次に図２を参照して、第２実施形態を説明する。
【００２４】
図２において、燃料電池ユニット１０Ｂは、燃料ガスから水素ガスを生成する改質器６と、生成された水素（リッチ）ガスが水素供給ラインＬｈを介して燃料電池の燃料極１ｂに投入され電力を発生させる燃料電池本体（スタック）１と、その燃料電池本体（スタック）１の排熱を利用した第１の熱交換器２と、ラジエータ４及び電動ファン５からなる冷却装置４５とで構成されている。
図２においても、電動ファン５は、ライジエータ４における冷却用の手段として作用するが、それに加えて、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気を行う手段としても作用する様に構成することが可能である。
また、図示はされていないが、空気ラインＬａ１を分岐して、分岐したラインを燃料電池本体（スタック）１の空気極１ａへ空気を供給する以外の目的、例えば、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気等の用途に供する様に構成することも可能である。
【００２５】
一方、貯湯タンク３の下部にはラインＬ１が接続され、そのラインＬ１は前記ラジエータ４を経由して前記第１の熱交換器２の入口側に連通されている。そして、第１の熱交換器２の出口側と前記貯湯タンク３の上部はラインＬ２によって連通されている。
【００２６】
又、ラインＬ１及びＬ２を介して貯湯タンク３と第１の熱交換器２とをお湯が循環する際に、ラジエータ４でお湯から熱を受け、その熱は空気ラインＬａ２によって前記改質器６に導かれている。尚、前記改質器６で発生する排熱Ｈは熱交換器７で回収される。
【００２７】
前記燃料電池本体１と第１の熱交換器２は、循環ラインＬ３によって媒体（流体）が循環可能なように配管されている。そして、上述の構成全体で燃料電池のコージェネレーションシステムＢが構成されている。
【００２８】
そのように構成された第２実施形態の燃料電池のコージェネレーションシステムＢによれば、ラインＬ１及びＬ２を介して貯湯タンク３と第１の熱交換器２を循環する水（お湯）がラジエータ４で熱交換されて冷却されるため、貯湯タンク２の蓄熱量が満タンとなった場合でも、燃料電池の運転を継続することが出来る。
一方、貯湯タンク３から前記熱交換器２に至るラインＬ１に設けたラジエータ４で加熱された空気は、空気ラインＬａ２を介して改質器６に導かれる。そして改質器６は、加熱された空気を燃焼用空気として用いることが出来る。ここで、（ラジエータ４から）燃焼用空気に投入された熱量の分だけ、改質器６における燃焼による加熱量が減少し、その結果、改質器６の燃料消費量が減少或いは節約され、水素ガスの製造効率が向上するのである。
【００２９】
次に、図３を参照して第３実施形態を説明する。
【００３０】
図２の第２実施形態はラジエータ４に接続された空気ラインＬａ１が改質器６側のみに接続されている実施形態である。
それに対して、図３の第３実施形態は、空気ラインＬａ２を途中で分岐させ、本来の空気ラインＬａ２は、改質器６側に、また、分岐した分岐ラインＬａ３側は燃料電池１の空気極１ａに夫々接続させた実施形態である。分岐した分岐ラインＬａ３側を燃料電池１の空気極１ｂにも接続した点以外は、図２の第２実施形態と実質的に同様である。
【００３１】
そのように空気ラインＬａ２，Ｌａ３を改質器６側と燃料電池本体１側の双方に接続することにより、更に改質器６の水素ガス製造効率及び燃料電池の排熱回収効率が向上する。
なお、図３においても、電動ファン５は、ライジエータ４における冷却用の手段として作用するが、それに加えて、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気を行う手段としても作用する様に構成することが可能である。
また、図示はされていないが、空気ラインＬａ１を分岐して、分岐したラインを燃料電池本体（スタック）１の空気極１ａへ空気を供給する以外の目的、例えば、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気等の用途に供する様に構成することが可能である。
図３の実施形態においても、ラジエータ４で加熱された空気は、空気ラインＬａ２を介して改質器６に導かれる。そして、加熱された空気は改質器６における燃焼用空気として用いられる。ここで、（ラジエータ４から）燃焼用空気に投入された熱量の分だけ、改質器６における燃焼による加熱量が減少する。その結果、改質器６の燃料消費量を減少或いは節約することが出来て、水素ガスの製造効率が向上するのである。
【００３２】
次に、図４を参照して第４実施形態を説明する。
【００３３】
図４の第４実施形態は、図３の第３実施形態に対して、空気ラインＬａ２に第２の熱交換器８を介装し、その第２の熱交換器８をインバータ７で加熱する様に構成した実施形態であり、その他については第３実施形態と実質的に同じである。
【００３４】
そのような図４の第４実施形態によれば、空気ラインＬａ２にインバータ７を加熱源とする第２の熱交換器８を介装することにより、図３の第３実施形態に比べて、更に改質器６の水素ガス製造効率及び燃料電池の排熱回収効率が向上する。
ここで、図４においても、電動ファン５は、ライジエータ４における冷却用の手段として作用するが、それに加えて、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気を行う手段としても作用する様に構成することが可能である。
また、図示はされていないが、空気ラインＬａ１を分岐して、分岐したラインを燃料電池本体（スタック）１の空気極１ａへ空気を供給する以外の目的、例えば、燃料電池ユニット１０Ａ内の換気等の用途に供する様に構成することが可能である。
図４の実施形態においても、ラジエータ４で加熱された空気は、空気ラインＬａ２を介して改質器６に導かれる。そして、加熱された空気は改質器６における燃焼用空気として用いられる。ここで、（ラジエータ４から）燃焼用空気に投入された熱量の分だけ、改質器６における燃焼による加熱量を抑制することが出来る。その結果、改質器６の燃料消費量を減少或いは節約することが出来て、水素ガスの製造効率が向上するのである。
【００３５】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的内容を減縮する趣旨の記述ではないことを付記する。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１） ラインを介して貯湯タンクと熱交換器を循環する水（お湯）はラジエータ内で熱交換されて冷却されるため、貯湯タンクの蓄熱量が満タンとなった場合でも、燃料電池を継続して運転できる。同時に、貯湯タンクから燃料電池に送られた水が持っている熱を外気に捨てず、熱の有効利用が行われている。
（２） 冷却水の必要性を判断するための温度センサ等の検出手段や制御装置、流路を切換えるための三方弁等が不要となり、システム構成を簡素化出来るとともに、水の冷却に関する配線（電源供給や制御等）が不要となる。
（３） 貯湯タンクから熱交換器に至るラインに設けたラジエータで加熱された空気は、空気ラインを介して燃料電池の空気極に導かれ、燃料電池に熱を与えるため、燃料電池の排熱回収効率が向上する。
（４） 貯湯タンクから熱交換器に至るラインに設けたラジエータで加熱された空気は、空気ラインを介して改質器に導かれ、改質器に熱を与えるため、改質器の水素ガス製造効率が向上する。
（５） ラジエータで加熱された空気を、空気ラインを介して改質器側と燃料電池本体側の双方に接続することにより、更に、改質器の水素ガス製造効率及び燃料電池の排熱回収効率が向上する。
（６） 空気ラインにインバータを加熱源とする第２の熱交換器を介装することにより、更に、改質器の水素ガス製造効率及び燃料電池の排熱回収効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるコージェネレーションシステムの構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第２実施形態におけるコージェネレーションシステムの構成を示すブロック図。
【図３】本発明の第３実施形態におけるコージェネレーションシステムの構成を示すブロック図。
【図４】本発明の第４実施形態におけるコージェネレーションシステムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ・・・コージェネレーションシステム
Ｌ１、Ｌ２・・・ライン
Ｌ３・・・循環ライン
Ｌａ１〜Ｌａ３・・・空気ライン
Ｌｈ・・・水素供給ライン
１・・・燃料電池
２・・・熱交換器
３・・・貯湯槽／貯湯タンク
４・・・ラジエータ
５・・・電動ファン
６・・・改質器
７・・・インバータ
８・・・熱交換器
４５・・・冷却装置
１０Ａ〜１０Ｄ・・・燃料電池ユニット

Claims (4)

1. 燃料電池とその燃料電池の排ガスの熱交換器とがユニットとして形成され、そして貯湯タンクからのラインが前記熱交換器に接続されている燃料電池のコージェネレーションシステムにおいて、前記貯湯タンクから前記熱交換器に至るラインに外気による冷却装置を設け、その冷却装置で加熱された空気を燃料電池の空気極に導く空気ラインを設けたことを特徴とする燃料電池のコージェネレーションシステム。
2. 燃料電池とその燃料電池の排ガスの熱交換器とがユニットとして形成され、そして貯湯タンクからのラインが前記熱交換器に接続されている燃料電池のコージェネレーションシステムにおいて、前記貯湯タンクから前記熱交換器に至るラインに外気による冷却装置を設け、その冷却装置で加熱された空気を改質器に導く空気ラインを設けたことを特徴とする燃料電池のコージェネレーションシステム。
3. 前記空気ラインがさらに燃料電池の空気極に接続されている請求項２の燃料電池のコージェネレーションシステム。
4. 前記空気ラインにインバータによる加熱手段が設けられている請求項１〜３の燃料電池のコージェネレーションシステム。

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